水—岩（土）体化学作用对斜坡稳定性影响研究

廖忠浈

摘 要： 本文从水岩化学作用、水土化学作用和斜坡水文化学三个方面阐述了水—岩（土）体化学作用对斜坡稳定性影响的研究历史和研究现状。分析了当前研究取得的成果及其存在的问题，从探索水—岩（土）化学作用本质规律的角度，提出应加强水—岩（土）化学反应原位监测试验、水—土化学作用损伤定量模型、水—土化学作用下抗剪强度参数变化机制的研究等。考虑到水岩化学作用与岩石风化现象的紧密关系，提出应加强岩石抗风化研究，降低地质灾害发生频率。

关键词： 水—岩（土）化学作用； 斜坡稳定性； 抗剪强度； 岩石风化

1. 引言

滑坡是我国主要的地质灾害之一，具有小型为主、多点频发、危害性大的特点。特别是江西、浙江等中南、东南部丘陵山区。据中国国土资源公报显示，2015年，全国共发生各类地质灾害8224起，其中，滑坡5616起，所占比例高达68%。滑坡可能由降雨、地震、火山活动、工程活动或这些因素的不同组合诱发，其中降雨是最主要、最常见的诱发因素。据统计，我国90%的滑坡是降雨诱发所致[1]。

自1925年太沙基提出关于降雨诱发滑坡的机制[2]以来，降雨诱发滑坡机理的研究一直是地质灾害、岩土工程界关注的热点难点之一。而“降雨诱发滑坡”仅仅是较为直观的说法，实际上是降雨入渗转化为地下水及其与斜坡岩土体的复杂作用（水—岩（土）体相互作用）诱发了滑坡。对此，国内外学者开展了大量的研究，研究内容主要包括：水—斜坡岩（土）体相互作用机理、斜坡地质力学和稳定性模型、降雨诱发滑坡机理数值模拟技术等。其中，水—岩（土）体相互作用是滑坡孕育的重要基础和激发因素。

根据前人的研究，可以将水与岩土体的相互作用概括为3 种，即力学作用（包括饱和渗流力学作用和非饱和渗流力学作用）、物理作用（包括润滑、软化、泥化作用及结合水的强化作用）和化学作用（包括离子交换、溶解、水化、水解、溶蚀及氧化—还原作用）。考虑到以往对水—岩（土）体物理及力学作用研究较多，而对水—岩（土）体化学作用研究程度仍然较低，很多问题仍不明朗，亟待探索解决，本文将对水—岩（土）体化学作用及其对斜坡稳定性影响的研究现状、存在问题和未来研究重点进行讨论。

2. 国内外相关领域研究进展

水—岩（土）体化学作用主要研究的是雨水与岩土体发生化学反应，导致岩土体物理结构、化学成分发生改变对岩土体力学性质、抗剪强度和斜坡稳定性的影响，集中于水岩化学作用、水土化学作用和斜坡水文化学方面的研究。

20世纪80年代，F.G.Bell等[3]总结了地下水对岩石和土体性状的影响，认为地下水是影响岩土体工程性质的根本因素，是水加速了岩石的化学风化过程，同时指出硅酸盐矿物（包括长石、辉石、角闪石、云母、橄榄石）的风化过程主要是水解过程。[4]等用HCL、H2S04等溶液模拟酸雨，对石灰石的腐蚀作用进行了研究，表明不同化学溶液对于石灰石具有不同的溶解规则。周翠英等[5]认为应该重视水岩相互作用的矿物损伤和化学损伤所导致的力学损伤及变异性规律研究，提出有必要建立岩土工程化學分支。

2.1 水岩化学作用

水岩化学反应影响岩体力学性质、抗剪强度方面的试验研究，目前成果较为丰富。[6]等通过实验研究了去离子水、HCl、NaOH对石英的裂隙扩展速率、应力强度因子和应力强度系数的影响，发现化学成分对裂隙的扩展具有控制作用。汤连生等[7]特制了3种高矿化度的强酸性水溶液（pH分别为3.18、2.49和3.67，对应矿化度为14.6、20.6和16.6g/L）分别与花岗岩、灰岩和红砂岩试件进行化学反应，并对反应后的三种岩石进行单轴抗压试验，结果表明，三种岩石化学损伤显著，以在pH=7.23，矿化度17.37mg/L中浸泡48h的试验结果为初始值，损伤值分别为25.3%、15.32%、15.02%～29.55%，且损伤速率随时间增长而减小。乔丽萍等[8]从微观结构的角度研究了砂岩与不同酸碱度溶液作用后孔隙率随时间的变化趋势，试验结果表明，水岩反应后砂岩损伤特征明显，孔隙率明显增大，且随时间变化呈现先急增后渐缓的趋势。刘建等[9]针对干燥、饱水、蒸馏水以及不同离子浓度和不同pH值化学溶液循环流动作用的砂岩试件进行单轴压缩试验和CT损伤测试，发现砂岩的力学性质受pH值、溶液离子浓度影响较大，两者均可使弹性模量和峰值强度不同程度的降低。李鹏等[10]开展了不同水化学溶液环境侵蚀条件下砂岩的抗剪强度试验，结果发现，无论是酸性还是碱性环境，砂岩的摩擦角、黏聚力均呈现出随着孔隙率增大而递减趋势；且随着反应时间的延长和酸碱强度的增大，砂岩抗剪强度参数c，?值也呈递减趋势。

近年来，水—岩化学作用下岩石的细微观结构变化和化学损伤计算模型研究也逐渐增多。陈四利等[11]对三种岩石（花岗岩、砂岩、灰岩）破裂特性的化学环境侵蚀进行了探索，得出与空气侵蚀条件相比，裂纹尖端的水或化学溶液使岩石的破裂韧度明显地降低。分析了在化学腐蚀下岩石的细微观破裂行为和腐蚀机理。并利用CT识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验，建立了基于化学腐蚀影响和CT数的损伤变量模型。刘建等认为Duncun模型只反映了岩石的线性阶段和应变硬化阶段，而不能描述岩石类介质的初始压密阶段，因此在原有公式的基础上加入了二次项，并利用改进后的Duncun模型对试验数据进行拟合，发现试验数据曲线与Duncun模型拟合度非常接近。杨慧等[12]采用矿物—水反应的地球化学动力学模型定量分析化学腐蚀的演化，认为水化学腐蚀可定量为等效裂纹长度，并通过质量守恒定律从理论上给出了裂纹在迹长及隙宽方向的水化腐蚀等效裂纹长度定量公式，为从微观的角度研究水岩化学作用提供了新的思路。陈炳瑞等[13]基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果，建立了隐式进化神经网络本构模型以模拟灰岩在水化学溶液下应力—应变变化趋势，发现模拟结果和试验结果具有较好的一致性，这说明经改进后的神经网络本构模型能较好地描述岩石的力学特性变化。

2.2 水土化学作用

相较于水岩化学作用研究，当前国内外对水土化学研究仍然偏弱。从研究角度来看，目前主要集中于土体物理结构和土体抗剪强度两方面研究。

土体物理结构方面，姚彩霞[14]通过室内试验模拟地下水作用于土体，借助ICP、CT和电镜，观察不同溶液下土体各项参数的变化，结果表明土体在地下水作用下会发生化学变化，微结构被改变。当土体物质成分被溶蚀时，土体结构变弱，强度降低：当吸附反应占主导时，结构增强，强度提高。毕任能[15]等采用实验的方法，研究了水土作用对库岸黏性土工程性质的影响，结果表明：河水与黏土发生作用后，土颗粒表面结合水膜变薄；与河水离子交换作用后的土颗粒间斥力减弱，黏土颗粒由原来的分散结构（片层结构）变成凝聚结构（片架结构），而片架结构排列的黏土矿物提高了土的剪切强度。江洎洧等[16]选取仍处于变形阶段的三峡库区黄土坡临江滑坡部分不良地质体为研究对象，追踪测试各样本的矿物类型及含量、化学组分及颗粒级配等指标，发现水—土化学作用对不良地质体的形成影响很大，斜坡体黏土矿物的含量对其稳定性具有重要的控制作用。

土的抗剪强度方面，赵宇等[17]在研究土的力学—化学现象时，将侏罗纪岩石风化土置于自来水、PH=4的HCl溶液和PH=10的NaOH溶液中浸泡45d后进行饱和快剪试验，结果表明，与自来水环境下相比，HCl溶液和NaOH溶液环境都导致了土的抗剪强度指标的降低，且降低幅度较大。等[18]研究了氯化钠和氯化钙对风化泥岩残余抗剪强度的影响，发现孔隙水中离子浓度高会严重削弱土体残余抗剪强度。王洋等[19]研究了水化学作用下残积红黏土力学性质的变化情况，发现酸性溶液使红黏土强度变大，碱性溶液使红黏土强度降低。张明等[20]采用原位推剪试验求取堆积体天然状态下和与库水反应后的力学参数c，?值，发现水浸泡一天后c，?值均出现大幅度减小。等[21]以兰州两个滑坡附近的红色风化泥岩为样本，分别用黄河水、地下水和去离子水浸泡至饱和，经测试发现样本残余抗剪强度和残余内摩擦角分别降低了65%和62%以上，并认为这与泥岩中可溶盐的浸出，削弱黏土颗粒间的作用力有关。

2.3 斜坡水文化学问题

王磊等[22]在研究云贵高原铁路红层边坡时发现，从地表到地下25.7m，二氧化硅和氧化铝的含量占比逐渐减小，分别减少了18.14%和14.78%，氧化钙和氧化钠含量占比则分别增加了17.17%和0.31%，这表明水岩化学作用对化学成分的迁移作用是显著的。[23]研究了日本新近纪火山岩中的五个不同滑动历史的古滑坡，发现凝灰岩滑面含有较多的蒙脱石，且从坡顶到坡脚其含量逐渐增大，而这些蒙脱石的形成主要是由于沿滑面向下运动、富含HCO3—的地下水与滑带介质之间发生了大规模离子交换。[24]等利用同位素和水文地球化学的方法对法国两个高山滑坡中地下水运动进行调查，数值模拟结果表明，两个滑坡均存在表层上层滞水和坡脚深部潜水两类含水区，对高山斜坡泉水的化学监测表明，表层上层滞水中SO42-含量与斜坡运动速率具有良好的相关性，斜坡运动速度越快SO42-含量越低。这说明离子在雨水作用下存在运移作用，运移过程不同可能导致离子含量分布的变化。周平根等[25]在研究宝塔滑坡地下水物理化学场时，发现地下水和降雨、地表水水质相似，且存在局部地段K+、Na+含量较高的现象，这说明可能存在离子的交换作用。

综上所述，国内外学者较为全面地研究了水—岩（土）体化学反应及其对斜坡稳定性的影响，这为解释降雨条件下斜坡岩（土）体发生滑动现象提供了依据。但仍存在较为明显的不足，如在研究化学成分运移、变化过程时，虽然得到一些化学成分运移、离子发生交换的证据，但没有给出发生这些现象的地下水运移过程及其控制因素；在研究水化学环境对斜坡岩土体力学性质的影响时，营造的水化学环境、试验材料和试验反应时间与现实斜坡相差巨大，不能真实反应斜坡岩土体内发生的水—岩（土）化学作用过程，进而对其应力应变关系无法真实描述，这就影响了其在滑坡地质灾害诱发机理研究方面的应用；在研究水—岩化学作用定量计算模型时，其研究的方法较基础，模型的设计较简单，虽然在与试验结果进行拟合时表现出较高的一致性，但若将其应用于复杂的地球化学环境中，结果就无法預估了。

3. 进一步研究展望

水—岩（土）化学作用对斜坡不良地质体的孕育以至于斜坡失稳具有重要控制作用。绝大多数滑坡的发生最初均是由于斜坡岩土体物理结构、力学性能发生了变化，而这往往都是由于受到水—岩（土）化学作用的影响。所以我们有必要加大对水—岩（土）化学作用及其对斜坡稳定性影响的研究。目前，国内外学者在水—岩（土）化学反应导致岩土体的力学性质、微观结构及化学成分的变化方面的影响研究较多，但是对于其形成过程及形成机制方面仍然存在很多疑问，需进一步分析探讨。

3.1 加强水—岩（土）化学反应原位监测试验研究

目前国内外学者的研究多为室内试验研究，而这无法模拟天然斜坡岩土体内水—岩（土）化学反应，也就无法真实描述反应的时间、过程、节点等核心因素。因此有必要加大原位监测试验研究，这可能要花费更多的时间和精力，但这是值得的，这样更能真实反映水—岩（土）化学作用规律，为解释斜坡失稳问题提供有力支撑。

3.2 加强水—土化学作用损伤定量模型研究

水—岩化学作用损伤模型研究目前已经有一些成果，但关于水—土化学作用损伤模型的研究目前还比较少，事实上，我国大多数滑坡为降雨诱发的浅层土质滑坡，而其与水—土化学作用联系更为紧密。且化学损伤定量模型对于描述岩土体力学性质、物理结构等因子的变化具有重要支撑作用，因此有必要加大水—土化学作用损伤定量模型研究，从微观角度为研究滑坡地质灾害提供理论基础。

3.3 水—土化学作用下抗剪强度参数变化机制研究

如上文所述，国内外学者对于水—土化学反应导致的抗剪强度参数变化趋势已经明确，如赵宇等学者通过试验证明水—土化学反应会降低土体的黏聚力和内摩擦角，但目前对于其变化过程、变化机制的研究很少。如果能通过试验和理论研究清晰地描述出土体抗剪强度参数的变化过程，列出相关数学表达式，那就能够为滑坡的预测和防治提供一个定量的理论方法。

3.4 岩土体抗风化研究

事实上，我们已经明确水—岩（土）物理、化学作用会对岩土体造成损伤，特别是当前面临全球气候变暖和酸雨逐渐增多趋势，损伤也将相应加重，这对滑坡等地质灾害的发生是有利的。而岩土体的风化实质上也就是在物理、化学作用下对岩土体造成的损伤。因此我们有必要在水—岩（土）化学作用相关理论的基础上，从宏观到微观，全面地展开岩土体抗风化研究，这对降低地质灾害发生频率、延缓斜坡失稳、预测预防地质灾害具有重要意义。

4. 结语

水—岩（土）化学作用研究经过几十年的发展，目前已经取得了一些重要成果，从宏观到微观，包括水—岩（土）化学反应室内试验研究、水—岩化学作用下岩石微观结构变化研究和化学损伤定量计算模型研究等。这些成果揭示了水—岩（土）化学作用的一些规律，也从不同的角度给滑坡等地质灾害研究提供了理论根据。虽然这些成果存在一些缺陷，其实用性也需进一步考证，但仍然是可喜的，因为研究本身就是一个去伪存真的过程。作为研究人员，我们在考究这些成果的时候应充分吸取前人的研究精髓，站在他们的肩膀上，不断拓宽思维，在求“真”的道路上越走越远，为水—岩（土）化学作用及其对斜坡稳定性的影响研究做出自己的贡献。

参考文献：

[1] 李媛， 孟晖， 董颖，等. 中国地质灾害类型及其特征--基于全国县市地质灾害调查成果分析[J]. 中国地质灾害与防治学报， 2004， 15（2）：29-34.

[2] 黄润秋， 徐则民， 许模. 地下水的致灾效应及异常地下水流诱发地质灾害[J]. 地球与环境， 2005， 33（3）：1-9.

[3] Bell F G， Cripps J C， Culshaw M G. A review of the engineering behaviour of soils and rocks with respect to groundwater[J]. Geological Society London Engineering Geology Special Publications， 1986， 3（1）：1-23.

[4] Hutchinson A J， Johnson J B， Thompson G E， et al. Stone degradation due to wet deposition of pollutants[J]. Corrosion Science， 1993， 34（11）：1881-1898.

[5] 周翠英， 彭泽英， 尚伟，等. 论岩土工程中水—巖相互作用研究的焦点问题——特殊软岩的力学变异性[J]. 岩土力学， 2002， 23（1）：124-128.

[6] Atkinson B K， Meredith P G. Stress corrosion cracking of quartz： A note on the influence of chemical environment[J]. Tectonophysics， 1981， 77（1–2）：T1-T11.

[7] 汤连生， 张鹏程， 王思敬. 水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2002， 21（4）：526-531.

[8] 乔丽苹， 刘建， 冯夏庭. 砂岩水物理化学损伤机制研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26（10）：2117-2124.

[9] 刘建， 乔丽苹， 李鹏. 砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应——试验研究与本构模型[J]. 岩石力学与工程学报， 2009， 28（1）：20-29.

[10] 李鹏， 刘建， 李国和，等. 水化学作用对砂岩抗剪强度特性影响效应研究[J]. 岩土力学， 2011， 32（2）：380-386.

[11] 陈四利， 冯夏庭， 李邵军. 岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应[J]. 岩石力学与工程学报， 2003， 22（4）：547-551.

[12] 杨慧， 曹平， 江学良. 水-岩化学作用等效裂纹扩展细观力学模型[J]. 岩土力学， 2010， 31（7）：2104-2110.

[13] 陈炳瑞， 冯夏庭， 姚华彦，等. 水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究[J]. 岩土力学， 2010， 31（4）：1173-1180.

[14] 姚彩霞. 城市区域水化学环境下土体细观结构变异分析[D]. 广西大学， 2005.

[15] 毕仁能， 项伟， 郭义，等. 库岸滑坡黏性土与河水物理化学作用试验研究[J]. 长江科学院院报， 2011， 28（7）：28-31.

[16] 江洎洧， 项伟， 曾雯，等. 三峡库区黄土坡临江滑坡体水岩（土）相互作用机理[J]. 岩土工程学报， 2012， 34（7）：1209-1216.

[17] 赵宇， 何淑芬. 用固体力学化学理论研究岩土的力学化学行为—以成都龙泉紫色为例[J]. 自然灾害学报， 2002， 11（2）：70-74.

[18] Tiwari B， Tuladhar G R， Marui H. Variation in Residual Shear Strength of the Soil with the Salinity of Pore Fluid[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering， 2005， 131（12）：1445-1456.

[19] 王洋， 汤连生， 高全臣，等. 水土作用模式对残积红粘土力学性质的影响分析[J]. 中山大学学报（自然科学版）， 2007， 46（1）：128-132.

[20] 张明， 胡瑞林， 崔芳鹏，等. 考虑水岩物理化学作用的库岸堆积体边坡稳定性研究——以金沙江下咱日堆积体为例[J]. 岩石力学与工程学报， 2008， 27（a02）：3699-3704.

[21] Wen B P， He L. Influence of lixiviation by irrigation water on residual shear strength of weathered red mudstone in Northwest China： Implication for its role in landslides' reactivation[J]. Engineering Geology， 2012， 151：56-63.

[22] 王磊， 李萼雄. 红层边坡风化过程的化学分析[J]. 四川大学学报（工程科学版）， 1996（6）：61-66.

[23] Shuzui H. Process of slip-surface development and formation of slip-surface clay in landslides in Tertiary volcanic rocks， Japan[J]. Engineering Geology， 2001， 61（4）：199-220.

[24] Guglielmi Y， Vengeon J， Bertrand C， et al. Hydrogeochemistry： an investigation tool to evaluate infiltration into large moving rock masses （case study of La Clapière and Séchilienne alpine landslides）[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2002， 61（4）：311-324.

[25] 周平根， 马和平， 鲜文凯. 大型滑坡地下水系统的概念模型以长江三峡库区宝塔滑坡为例[J]. 工程地质学报， 2000， 8（2）：186-190.